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555定时电路内部结构分析及应用1绪言555定时器是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。2555定时器功能及结构分析2.1555定时器的分类及管脚作用555定时器又称时基电路。555定时器按照内部元件分有双极型（又称TTL型）和单极型两种。双极型内部采用的是晶体管；单极型内部采用的则是场效应管，常见的555时基集成电路为塑料双列直插式封装（见图2-1），正面印有555字样，左下角为脚①，管脚号按逆时针方向排列。2-1555时基集成电路各管脚排布555时基集成电路各管脚的作用：脚①是公共地端为负极；脚②为低触发端TR，低于1／3电源电压以下时即导通；脚③是输出端V，电流可达2000mA;脚④是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬空;脚⑤是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地;脚⑥为高触发端TH，也称阈值端，高于2/3电源电压发上时即截止;脚⑦是放电端DIS;脚⑧是电源正极VC。2.2555定时器的电路组成图2-2为555芯片的内部等效电路U21kU31kU41kCCOMPARATOR_VIRTUALDCOMPARATOR_VIRTUALU9A74LS00DBU8A74LS10DAVT1BJT_NPN_VIRTUALR610048562713AQQSR965431101121213782-2555定时器电路组成5G555定时器内部电路如图所示，一般由分压器、比较器、触发器和开关。及输出等四部分组成，这里我们主要介绍RS触发器和电压比较器。2.2.1基本RS触发器原理如图2-3是由两个“与非”门构成的基本R-S触发器,RD、SD是两个输入端，Q及是两个输出端。U1A74LS00DU2A74LS00D1234QQRDSD2-3RS触发器正常工作时，触发器的Q和应保持相反，因而触发器具有两个稳定状态：1）Q=1，=0。通常将Q端作为触发器的状态。若Q端处于高电平，就说触发器是1状态；2）Q=0，=1。Q端处于低电平，就说触发器是0状态；Q端称为触发器的原端或1端，端称为触发器的非端或0端。由图可看出，如果Q端的初始状态设为1，RD、SD端都作用于高电平（逻辑1），则一定为0。如果RD、SD状态不变，则Q及的状态也不会改变。这是一个稳定状态；同理，若触发器的初始状态Q为0而为1，在RD、SD为1的情况下这种状态也不会改变。这又是一个稳定状态。可见，它具有两个稳定状态。输入与输出之间的逻辑关系可以用真值表来描述。首先对该RS触发器Q端状态仿真。如图2-4U1A74LS00DU2A74LS00D2QQRDSDXLC1AB3412-4RS触发器Q端仿真电路图Q端状态变化规律如图2-52-5Q端状态变化规律仿真此图中A即SD，B即RD.，再对该R—S触发器Q非端状态仿真，如图2-6U1A74LS00DU2A74LS00DQQRDSDXLC1AB34122-6RS触发器Q非端仿真图Q非端状态变化规律如图2-72-7Q非端状态变化规律此图中A即SD，B即RD.R-S触发器的逻辑功能，可以用输入、输出之间的逻辑关系构成一个真值表(或叫功能表)来描述，由仿真可得以下结论。当RD=0，SD=1时，不论触发器的初始状态如何，一定为1,由于“与非”门的输入全是1，Q端应为0。称触发器为0状态，RD为置0端。当RD=1，SD=0时，不论触发器的初始状态如何，Q一定为1,从而使为0。称触发器为1状态，SD置1端。当RD=1，SD=1时，如前所述，Q及的状态保持原状态不变。当RD=0，SD=0时，不论触发器的初始状态如何，Q==1，若RD、SD同时由0变成1，在两个门的性能完全一致的情况下,Q及究竟哪一个为1，哪一个为0是不定的，在应用时不允许RD和SD同时为0。综合以上四种情况，可建立R-S触发器的真值表如表4—1。应注意的是表中RD=SD=0的一行中Q及的状态是指RD、SD同时变为1后所处的状态是不定的，用Ф表示。由于RD=0，SD=1时Q为0，RD端称为置0端或复位端。相仿的原因，SD称置1端或置位端。2.2.2简单电压比较器电压比较器简称比较器，它用来比较两个电压的大小，比较的结果通常由输出的高电贫乏UHO或低电平UOL来表示。简单电压比较器的基本电路如图2-8所示R11.0kR21.0kU1COMPARATOR_VIRTUALUref12VUi12V1234005U02-8简单电压比较器它的反相输入端和同相输入端分别接输入信号Ui和参考电压Uref，该电路属于反相输入电压比较器，显然电路中的运放工作在开环状态。由于开环电压增益高，受电源电压的限制，这时，只要输入信号ui稍小于参考电压Uref，输出即为高电平u0=UOH(U0,MAX),输出级处于正饱和状态；反之，只要ui稍大于Uref，输出即为低电平u0=UOL(-U0,MAX),输出级处于负饱RDSDQ0101101000不定（Ф）11不变表4-1真值表和状态；只有uI在非常接近Uref的极小范围内，运放才处于线性放大状态，此时，才有u0=A0d(Uref-uI).通常把比较器的输出电压从一个电平变化到另一个电平时对应的临界输入电压称为阀值电压或门限电压，简称为阀值，用符号UTH表示，对这里所讨论的简单比较器有UTH=Uref。我们知道了555定时电路的结构就可以在此基础之上制作出不同功能的电路，这里我们主要讨论平时常见的几种基于555芯片的功能电路如多谐振荡器，施密特触发器等。3多谐振荡器3.1电路组成及工作原理下面图3-1时基于555的多谐振荡器连接图R41kR51kR31kCCOMPARATOR_VIRTUALDCOMPARATOR_VIRTUALU9A74LS00DBU8A74LS10DA3VT1BJT_NPN_VIRTUALXSC1ABGT12VVs1315R6100212R268R151C110nFC210nF048562713AQQSR611105VDD3-1基于555芯片的多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路。因为没有稳定的工作状态，多谐振荡器也称为无稳态电路。其工作原理时这样的：在刚接同电源时，由于电容C1两端的电压不能突变，使集成电路A的2脚电压为0V，这一低电压加到电压比较器D的同相输入端，使电压比较器D输出低电平，该低电平加到与非门B的一个输入端，这样，输出端Q输出高电平，即多谐振荡器输出电压U0为高电平，通电之后，直流电压+V通过电阻R1和R2对电容C1充电，由于电容C1的充电要有一个过程，在C1两端的电压没有充到一定程度时，电路保持输出电压U0为高电平状态，这是一个暂稳态。随着对电容C1充电的进行，（C1上的充电电压极性为上正下负），当C1上的电压达到一定程度时，集成电路A的6脚电压为高电平，该高电平加到内电路中的电压比较器C的反相输入端，使比器C输出低电平，该低电平加到与非门A的一个输入端，使RS触发器翻转，即为Q端输出低电平，即U0为低电平，Q非为高电平，从图中所示波形中可看出，此时U0已从高电平翻转到低电平。Q非为高电平后，该高电平经过电阻RS加到VT1基极，使VT1饱和导通，由于VT1导通后集电极和发射极之间的内阻减小，这样电容C1上充到的上正下负电压开始放电，其放电回路是：C1的上端——R2——集成电路A的7脚——VT1集电极——VT1发射极——地端——C1的下端，在这放电的过程中，多谐振荡器保持U0为低电平状态，随着C1的放电，C1上的电压在下降，当C1上的电压下降到一定程度时，使集成电路的2脚电平很低，即电压较器D的同相输入端电压很低，使比较器D输出低电压，该低电压加到与非门B的一个输入端，使RS触发器再次翻转，翻转到Q为高电平的暂稳态，即U0为高电平，由于Q为高电平，Q非为低电平，使VT1管的基极电压很小，VT1截止，电容C1停止放电，改变为+V通过电阻R1和R2对电容C1充电，这样电路进入第2个周期，如此反复达到振荡器的作用。由仿真得该电路输出波形，如图3-2所示3-2多谐振荡器输出波形仿真多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。3.2多谐振荡器应用实例3.2.1简易温控报警器下图3-4是利用多谐振荡器构成的简易温控报警电路，利用555构成可控音频振荡电路，用扬声器发声报警，可用于火警或热水温度报警，电路简单、调试方便。图中晶体管T可选用锗管3AX31、3AX81或3AG类，也可选用3DU型光敏管。3AX31等锗管在常温下，集电极和发射极之间的穿透电流ICEO一般在10～50μΑ，且随温度升高而增大较快。当温度低于设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较小，555复位端RD（4脚）的电压较低，电路工作在复位状态，多谐振荡器停振，扬声器不发声。当温度升高到设定温度值时，晶体管T的穿透电流ICEO较大，555复位端RD的电压升高到解除复位状态之电位，多谐振荡器开始振荡，扬声器发出报警声。3AX31BJT_PNP_VIRTUALR120kR2100kR32K_LINKey=A50%555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI12VVCC0.01uFCf35126748voVI1VI220.01uFC3451TC210uF6703-4多谐振荡器用作简易温控报警电路需要指出的是，不同的晶体管，其ICEO值相差较大，故需改变R1的阻值来调节控温点。方法是先把测温元件T置于要求报警的温度下，调节R1使电路刚发出报警声。报警的音调取决于多谐振荡器的振荡频率，由元件R2、R3和C1决定，改变这些元件值，可改变音调，但要求R2大于1kΩ。3.2.2双音门铃下图3-5是用多谐振荡器构成的电子双音门铃电路。当按钮开关AN按下时，开关闭合，VCC经D2向C3充电，P点（4脚）电位迅速充至VCC，复位解除；由于D1将R3旁路，VCC经D1、R1、R2向C充电，充电时间常数为（R1+R2）C，放电时间常数为R2C，多谐振荡器产生高频振荡，喇叭发出高音。当按钮开关AN松开时，开关断开，由于电容C3储存的电荷经R4放电要维持一段时间，在P点电位降至复位电平之前，电路将继续维持振荡；但此时VCC经R3、R1、R2向C充电，充电时间常数增加为（R3+R1+R2）C，放电时间常数仍为R2C，多谐振荡器产生低频振荡，喇叭发出低音。当电容C3持续放电，使P点电位降至555的复位电平以下时，多谐振荡器停止振荡，喇叭停止发声。调节相关参数，可以改变高、低音发声频率以及低音维持时间。R120kR2100k555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI6VVCC0.01uFCf35126748voVI1VI223C247uF60.01uFCf4R33.9kR44.7k7D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUAL10U147uF011ANKey=Space51P3-5用多谐振荡器构成的双音门铃电路4施密特触发器施密特触发器——具有回差电压特性，能将边沿变化缓慢的电压波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。4.1电路组成及工作原理555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI12VVsU110k4110nFCfXSC1ABGT650XFG203351267484-1555定时器构成的施密特触发器其实，555内部电路就可以等效成一个施密特触发器，要清除其工作原理，我们必须再次研究其内部电路，如图4-2U21kU31kU41kCCOMPARATOR_VIRTUALDCOMPARATOR_VIRTUALU9A74LS00DBU8A74LS10DA12VVs86213QQSR43159